壓力檢測儀表

第三章壓力檢測儀表

壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要工藝參數(shù)之一。許多工藝過程只有在一定的壓力

條件下進行，才能取得預(yù)期的效果；壓力的監(jiān)控也是安全生產(chǎn)的保證。壓力的

檢測和控制是保證工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟性和安全性的重要環(huán)節(jié)。壓力測量儀表還

廣泛地應(yīng)用于流量和液位測量方面。

1.壓力概念和單位

壓力概念：在工程上，“壓力”定義為垂直均勻地作用于單位面積上的力，

通常用P表示，對應(yīng)于物理學(xué)中的壓強。

單位：國際標(biāo)準(zhǔn)單位為帕斯卡，簡稱為帕，符號為Pa,加上詞頭又有千帕、

兆帕等，我國規(guī)定帕斯卡為壓力的法定單位。目前，工程技術(shù)中仍常用的單位

還有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。

壓力單位換算衰

工程標(biāo)準(zhǔn)磅力T方

帕巴毫米水柱毫米汞柱

單位大氣壓大氣壓英寸

(Pa)(bar)(mmHzO)(mmHg)

(kgf/cm2)(atm)(Ibf4n2)

粕1.0197160.98692361.0197160.750061.450442

11X10-3

(Pa)X10-5XW5X101XlO'2xlO-4

巴1.0197160.98692361.0197160.750061.450442

1X1051

(bar)X104xlO3XlO

工程大氣壓0.9806650.735561.4224

0.98066510.967841X1O<

(kgf/cm2)X105xlO3XlO

標(biāo)點大氣壓1.013251.033231.4696

1.013251.0332310.76X103

(atm)X105xlO4XlO

毫米水柱0.9806650.9806650.967840.735561.4224

1X10-41

(mmHaO)X10X10-4X10-4xlO1XW3

毫米汞柱1.3332241.3332241.359511.31581.359511.9338

1

(mmHg)X102X10-3X10-3X10-3xlOxlO-2

磅力斗方英寸0.689490.689490.703070.68050.703070.51715

1

(lbf4n2)X104XW1X10-1X10-1xlO3xlO2

在工程上，壓力有幾種不同的表示方法，并且有相應(yīng)的測量儀表。

⑴絕對壓力被測介質(zhì)作用在容器表面積上的全部壓力稱為絕對壓力。用來

測量絕對壓力的儀表，稱為絕對壓力表。

⑵大氣壓力由地球表面空氣柱重量形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理

緯度、海拔高度及氣象條件而變化，其值用氣壓計測定。

⑶表壓力通常壓力測量儀表是處于大氣之中，則其測得的壓力值等于絕對

壓力和大氣壓力之差，稱為表壓力。一般地說，常用的壓力測量儀表測得

的壓力值均是表壓力。

⑷真空度當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負值（負壓力），其絕對值

稱為真空度，用來測量真空度的儀表稱為真空表。

⑸差壓設(shè)備中兩處的壓力之差簡稱為差壓。生產(chǎn)過程中有時直接以差壓作

為工藝參數(shù)，差壓測量還可作為流量和物位測量的間接手段。

壓力檢測的主要方法及分類：

根據(jù)不同工作原理，主要的壓力檢測方法及分類有如下幾種。

（1）重力平衡方法

液柱式壓力計基于液體靜力學(xué)原理。被測壓力與一定高度的工作液體產(chǎn)生的

重力相平衡，將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度來測量，其典型儀表是u形管壓力計。

這類壓力計的特點是結(jié)構(gòu)簡單、讀數(shù)直觀、價格低廉，但一般為就地測量，信

號不能遠傳；可以測量壓力、負壓和壓差；適合于低壓測量，測量上限不超過

0.1~0.2Mpa；精確度通常為0.02%?±0.15虬高精度的液柱式壓力計可用作

基準(zhǔn)器。

負荷式壓力計基于重力平衡原理。其主要型式為活塞式壓力計。被測壓力

與活塞以及加于活塞上的硅碼的重量相平衡，將被測壓力轉(zhuǎn)換為平衡重物的重

量來測量。這類壓力計測量范圍寬、精確度高（可達±0.01%、性能穩(wěn)定可靠，

可以測正壓、負壓和絕對壓力，多用作壓力校驗儀表。單活塞壓力計測量范圍

達0.04?2500MPa,此外還有測量低壓和微壓的其他類型的負荷式壓力計。

(2)機械力平衡方法

這種方法是將被測壓力經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成一個集中力，用外力與之平衡，

通過測量平衡時的外力可以測知被測壓力。力平衡式儀表可以達到較高精度，

但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這種類型的壓力、差壓變送器在電動組合儀表和氣動組合儀表

系列中有較多應(yīng)用。

(3)彈性力平衡方法

此種方法利用彈性元件的彈性變形特性進行測量。被測壓力使測壓彈性元件

產(chǎn)生變形，因彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡，測量彈性元件的變

形大小可知被測壓力。此類壓力計有多種類型，可以測量壓力、負壓、絕對壓

力和壓差，其應(yīng)用最為廣泛。

(4)物性測量方法

基于在壓力的作用下，測壓元件的某些物理特性發(fā)生變化的原理。

電測式壓力計利用測壓元件的壓阻、壓電等特性或其他物理特性，將被測

壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來測量。多種電測式類型的壓力傳感器，可以適用于

不同的測量場合。

其他新型壓力計如集成式壓力計、光纖壓力計等。

2.液柱式壓力計

最早使用的一種壓力計。簡單、可靠、精度比較高、價格低廉。歷史上曾是

準(zhǔn)確測量壓力的唯一儀器。雖然現(xiàn)在已出現(xiàn)一系列新型儀表。實際上此種壓力

計還在使用，有時還用來檢驗其它型式的儀表。

液柱式壓力計

3.彈性式壓力計

彈性壓力計利用彈性元件受壓變形的原理。彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓變

形，其變形大小與外力成比例，外作用力取消后，元件將恢復(fù)原有形狀。利用

變形與外力的關(guān)系，對彈性元件的變形大小進行測量，可以求得被測壓力。

彈性壓力計的組成一般包括彈性元件、變換放大機構(gòu)、指示機構(gòu)和調(diào)整機

構(gòu)等幾個主要環(huán)節(jié)。彈性元件是儀表的核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈

性變形，彈性元件采用何種形式要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計；變換放大機構(gòu)作

用是將彈性元件的變形進行變換和放大；指示機構(gòu)如指針與刻度標(biāo)尺，用于給

出壓力示值；調(diào)整機構(gòu)是用于調(diào)整儀表的零點和量程。

彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性

測量范圉/Pa動態(tài)性質(zhì)彈性元件主要有以

類別名稱示意圖輸出特性時間常數(shù)自振頻率

最小?大

，S/Hz下幾種形式。

1卜

5

平薄膜4810?10-2

0-100T010(1)彈性膜片這是

0

一種外緣固定的片狀彈

薄膜式波紋膜0~10-106也10-2?10?100

芋OP；性元件，膜片的彈性特性

挽性膜也0?1。-2。?10sIO-?11-100一般由中心位移與壓力

0IZPM

0的關(guān)系表示。按剖面形狀

1

波紋管式波紋管0-10?10610-2?10-110-100及特性，彈性膜片又分為

*/??0Z

平膜片、波紋膜片和撓性

單圖彈簧管)0-1伊0-109—100-1000膜片。平膜片的使用位移

X0PM

彈簧管式:很小，彈性特性有良好的

多網(wǎng)彈簧管8一

0To0-1010?100線性關(guān)系。波紋膜片是壓

O屋

有環(huán)狀同心波紋的圓膜

片，波紋的形狀有正弦形、鋸齒形、梯形等。其位移與壓力的關(guān)系，由波紋的

形狀、深度和波紋數(shù)確定。為了測量微小壓力，還可以制成膜盒，以增大膜片

位移。撓性膜片僅作為隔離膜片使用，它要與測力彈簧配用。

(2)波紋管波紋管由整片彈性材料加工而成，是一種壁面具有多個同心環(huán)

狀波紋，一端封閉的薄壁圓管。波紋管的開口端固定，由此引人被測壓力。在

其內(nèi)腔及周圍介質(zhì)的壓差作用下，封閉端將產(chǎn)生位移，此位移與壓力在一定的

范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。在使用時一般要應(yīng)用在線性段，也可以在波紋管內(nèi)加螺旋

彈簧以改善特性。用波紋管作彈性元件的壓力計，一般用于測量較低壓力或壓

差。

(3)彈簧管彈簧管是一根彎成圓弧狀的、具有不等軸截面的金屬管。常見

的不等軸截面是扁圓和橢圓形。彈簧管的一端

封閉并處于自由狀態(tài)為自由端，另一端開口為

固定端，被測壓力由固定端通人彈簧管內(nèi)腔。

在壓力的作用下，彈簧管橫截面有變圓的趨

向，彈簧管亦隨之產(chǎn)生向外伸直的變形，從而

引起自由端位移。自由端的位移量與所加壓力

有關(guān)，可以由此得知褲被測壓力的大小。單圈

彈簧管受壓力作用的變形彈簧管中心角一般是270°,為了增加位移量，

可以做成多圈彈簧管型式。

彈性元件常用的材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼等，各適用于不同的測

壓范圍和被測介質(zhì)。近來半導(dǎo)體硅材料得到了更多的應(yīng)用。下表給出幾種彈性

元件的結(jié)構(gòu)示意及特性。各種彈性元件組成了多種型式的彈性壓力計，它們通

過各種傳動放大機構(gòu)直接指示被測壓力值。這類直讀式測壓儀表有彈簧管壓力

計、波紋管差壓計、膜盒式壓力計等。

彈簧管壓力計是最常用的直讀式測壓儀表，其一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。被測

壓力由接口引入，使彈簧管自由端產(chǎn)生位移，通過拉桿使扇形齒輪逆時針偏轉(zhuǎn),

并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動，與中心齒輪同軸的指針將同時順時針偏轉(zhuǎn)，并在

面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值。通過調(diào)整螺釘可以改變拉桿與扇形齒輪

的接合點位置，從而改變放大比，調(diào)整儀表的量程。轉(zhuǎn)動

軸上裝有游絲，用以消除兩個齒輪嚙合的間隙，減小儀表的變差。直接改變指

針套在轉(zhuǎn)動軸上的角度，就可以調(diào)整儀表的機械零點。

工程中應(yīng)用最廣泛的壓力儀

表：彈性式壓力計是利用彈性

元件受壓力作用后產(chǎn)生彈性形

變，將變形轉(zhuǎn)換成位移，通過

7一表盤

8一指針位移變化來測試壓力大小。各

9-接頭

10一橫斷面種彈性元件輸出的位移或力必

11一靈敏度調(diào)整槽

須經(jīng)過一定的機械傳動（直接

指示）或變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器有兩種形式：開環(huán)式和閉環(huán)式。

開環(huán)式：位移7方）R、L、C等電參數(shù)，然后經(jīng)一定的電路變成標(biāo)準(zhǔn)信號,

這種變送器原理簡單，但材料工藝和電路的要求比較高。隨著科技進步，此種

壓力變送器越來越多。

閉環(huán)式：利用負反饋保證儀表精度，目前應(yīng)用較多的力平衡式變送器就屬于

這一類。

4.力平衡式壓力變送器

—

輸

出n

負T

載

—

力平衡式壓力變送器的原理圖

工作原理：被測量壓力P經(jīng)波紋管轉(zhuǎn)換成耳作用于杠桿左端A點，使杠桿繞

支點0作逆時針旋轉(zhuǎn)，稍一偏轉(zhuǎn)，位于杠桿右端的位移檢測元件便有感覺，使

電子放大器產(chǎn)生一定的輸出電流/,。此電流流過反饋線圈和變送器的負載，并

與永久磁鐵作用產(chǎn)生一定的電磁力，使杠桿B點受到反饋力號，形成一個使杠

桿作順時針轉(zhuǎn)動的反力矩。由于位移檢測放大器極其靈敏，杠桿實際上只要產(chǎn)

生極微小的位移，放大器便有足夠的輸出電流形成反力矩與作用力矩相平衡。

當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時，輸出電流/。正比于被測量壓力P。

這種閉環(huán)式的力平衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：首先在于當(dāng)彈性材料的彈性模數(shù)溫度系數(shù)

較大時，可以減小溫度的影響。因為這里的平衡狀態(tài)不是靠彈性元件的彈性反

力來建立的，當(dāng)位移檢測放大器非常靈敏時，杠桿的位移量很小，若整個彈性

系統(tǒng)的剛度設(shè)計的很小，那么彈性反力在平衡狀態(tài)的建立中無足輕重，可以忽

略不計。這樣，彈性元件的彈性力隨溫度的漂移就不會影響這類變送器的精度。

此外，由于變換過程中位移量很小，彈性元件的受力面積能保持恒定，因而線

性度比較好。由于位移量小，還可以減小彈性遲滯現(xiàn)象，減小儀表的變差。

為了說明這些優(yōu)點，通過這種變送器的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖（方框圖）來分析。

反饋線圈

力平衡變送器的方塊圖

作用力矩％與反饋力矩之差A(yù)M使杠桿繞支點0旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角夕=也。這

T

里7是杠桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，它的大小表示要使杠桿產(chǎn)生單位轉(zhuǎn)角所需的力矩。

當(dāng)杠桿轉(zhuǎn)動時，位移檢測點c處就有位移4=其中/℃為檢測點c到支

點o的距離。該位移被檢測并轉(zhuǎn)換為電流輸出圖中K表示位移檢測放大器

的傳遞系數(shù)。

輸出電流/“流過反饋線圈，產(chǎn)生電磁反饋力號=Cx/0,其中C為電磁鐵的傳

遞系數(shù)。此力乘力臂/。8即為反饋力矩M/。

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：:HSIOAB

當(dāng)開環(huán)增益很大，即十41Q。">>1時，上式可簡化為：

由此可知，這種變送器具有一切閉環(huán)系統(tǒng)的共同特點，即在開環(huán)增益足夠大

時，其輸入量和輸出量的關(guān)系只取決于輸入環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，而與

正向通道環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)無關(guān)。

在上述的力平衡壓力變送器中，杠桿系統(tǒng)（包括彈性測量元件）的剛度7和位

移檢測放大器的傳遞系數(shù)K都處于正向通道內(nèi)，只要開環(huán)增益足夠大，它們的

變化不會影響輸出值因此，彈性測量元件的彈性模數(shù)隨溫度的變化，不會

影響儀表的精度。

這里需要說明，力平衡儀表雖然對彈性反力的變化不甚敏感，但對杠桿系統(tǒng)

任何一處存在的摩擦力卻是十分敏感的，因為摩擦力矩的引入相當(dāng)于在比較點

引入干擾，會直接引起誤差，造成死區(qū)和變差。為此，力平衡儀表中支承點都

使用彈簧鋼片做成彈性支承，以避免摩擦力的引入。

從上面的分析看到，在力平衡變送器中，只要測壓元件的有效面積S能保持

恒定，磁鐵的磁場強度均勻穩(wěn)定，力臂的長度做、臉不變，便可得到較好的變

換精度。

5.微小位移電變換方法

5.1）霍爾元件

5.1.1）霍爾效應(yīng)

一塊長為/、寬為8、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為月的磁場（磁場

方向垂直于薄片）中，如下圖所示。當(dāng)有電流/流過時，在垂直于電流和磁場的

方向上將產(chǎn)生電動勢U”。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)原理圖

假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，在其左右兩端通以電流1（稱為控制電流）。那么半

導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著與電流I相反的方向運動。由于外磁場B的作用，

使電子受到洛侖茲力FL作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積

累。而前端面缺少電子，因此后端面帶負電，前端面帶正電，在前后端面間形

成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE與FL相等時，電子積

累達到動態(tài)平衡。這時，在半導(dǎo)體前后兩端面之間（即垂直于電流和磁場方向）

建立電場，稱為霍爾電場E”,相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢U”。

UH=--=K?I?B

nedH

霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH=」一。金屬中自由電子濃度n很高，因此K”很

ned

小，使輸出乙極小，不宜作霍爾元件，因此霍爾元件都是由半導(dǎo)體材料制成。

如果是P型半導(dǎo)體，其載流于是空穴。一般電子遷移率大于空穴遷移率。因此

霍爾元件多用N型導(dǎo)體材料，霍爾元件越?。磀越?。?，K”就越大，所以一般

霍爾元件都比較簿。薄膜霍爾元件厚度只有l(wèi)um左右。

由霍爾電勢公式可知，當(dāng)控制電流(或磁場)方向改變時，霍爾電勢方向也將

改變，但電流與磁場方向同時改變時，霍爾電勢方向不變；當(dāng)載流材料和幾何

尺寸確定后，霍爾電勢U”的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B,因此霍爾

元件可用來測量磁場(I恒定)、檢測電流(B恒定)。當(dāng)霍爾元件在一個線性梯度

磁場中移動時，輸出霍爾電勢反映了磁場變化此可測微小位移、壓力、機械振

動等。

霍爾式傳感器轉(zhuǎn)換效率較低，受溫度影響大，但其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，

頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍(輸出電勢的變化)大，無觸點，使用壽命長，可靠性高,

易微型化和集成電路化，因此在測量技術(shù)、自動控制、電磁測量、計算裝置以

及現(xiàn)代軍事技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

5.1.2)霍爾元件材料及構(gòu)造：

用于制造霍爾元件的材料主要有以下幾種。

錯(Ge),N型及P型均可。其電阻率約為10氣。.m)o在室溫下載流子遷移

3232-1

率為3.6X10(cm*v^s-^o霍爾系數(shù)可達4.25X10(cm?c)o而且提純和拉

單晶都很容易，故常用于制造霍爾元件。

硅(Si),N型及P型均可。其電阻率約為1.510^(0-m),N型硅的載流子

32

遷移率高于p型硅。N型硅霍爾系數(shù)可達2.25X10(cm-c')o

碑化錮(InAs)和睇化錮(InSb),這兩種材料的特性很相似。純碑化錮樣品的

載流子遷移率可達3乂10」(加?vH),電阻率較小，約為2.5X10R。?口)。

鐲化錮的載流子遷移率可達6X104(cm2-vV1),電阻率約為7X10-3(Q-m)。

它們的霍爾系數(shù)分別為350和1000。由于兩者遷移率都非常高，而且可以用化

學(xué)腐蝕方法將其厚度減薄到10um,因此用這兩種材料制成的霍爾元件有較大的

霍爾電勢。

霍爾元件的外形，結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)很簡單，它是由

霍爾片、四極引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片（一般為4X2

xo.1mm：，）o在它的長度方向兩端面上焊有兩根引線（圖中a、b線），稱為控制

電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵電極），要

求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結(jié)特性）。在薄片的另

兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有兩根霍爾輸出端引線（圖中c、d線），通

常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與長度之

比要小于0.1,否則影響輸出?；魻栐臍んw是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹

脂封裝?；魻栐陔娐分锌捎脠D⑹的兩種符號表示。

0

-V-

（a）外形（C）符號

霍爾元件

5.1.3）測量電路:

霍爾元件的基本測量電路如下圖所示。

激勵電流由電源正供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵電流I的大小。只RL為輸

出霍爾電勢U”的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。

工

負

同6載

霍爾元件的基本測量電路

集成霍爾傳感器（根據(jù)電路和霍爾元件的工作條件不同，分為線性型、開關(guān)型）

V.

2

開關(guān)霍爾集成電路結(jié)構(gòu)

5.1.4）技術(shù)指標(biāo)：額定激勵電流、輸入電阻、輸出電阻、不等位電勢及零位電

阻、寄生直流電勢等。

5.1.5）霍爾傳感器的補償：不等位電勢補償和溫度補償。

5.L6）應(yīng)用：

?位移測量

霍爾式位移傳感器原理示意圖

?壓力測量

霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

?鉗型電流表、鉗型電流傳感器

o

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AC鉗式電流傳感器

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（電壓量程）4。

?轉(zhuǎn)速測量、長度測量

檢測輪轉(zhuǎn)動方向

開關(guān)式霍爾元件A

開關(guān)式霍爾元件B

￡c

被測物轉(zhuǎn)動方向收

頭

系統(tǒng)測量輪和傳感器安裝示意圖

移動方向

磁鐵

霍爾傳感器

霍爾傳感器安裝圖

（a）轉(zhuǎn)速測量原理（b）

1——霍爾器件2--被測物體3——永磁體

5.2）電感式元件

電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用

來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。

電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自

感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類

傳感器的主要特征是具有線圈繞組。

電感式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強,

對工作環(huán)境要求不高，分辨力較高（如在測量長度時一般可達0.lum）,示值誤差

一般為示值范圍的0.1%-0.5%,穩(wěn)定性好。它的缺點是頻率響應(yīng)低，不宜用于

快速動態(tài)測量。一般說來，電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān)。

示值范圍大時，分辨力和示值精度將相應(yīng)降低。

電感式傳感器種類很多。有利用自感原理的自感式傳感器（通常稱電感式傳

感器），利用互感原理通常做成的差動變壓器式傳感器。

自感式傳感器

5.2.1工作原理

電感式位移傳感器種類繁多，目前常用的有變氣隙型、變面積型和螺管型三

種，如下圖所示。雖然形式不同，但都包含線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分。

△5

（O螺管型

<a）變間隙型

1——線圈2——鐵芯3——銜鐵

對變間隙型傳感器,氣隙的大小隨被測量的改變而變化，使磁路中氣隙的磁

阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化。這種電感量的變化與氣隙的大?。次?/p>

移量）相對應(yīng)，因此，只要能測山這種電感量的變化，就能測出位移的大小。變

面積型是氣隙長度保持一定，而鐵芯與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測位移量的

變化而改變，從而導(dǎo)致線圈電感的變化。螺管型傳感器是線圈電感隨著銜鐵插

入長度的變化而變化。理論上，電感相對變化量與銜鐵位移相對變化量成正比,

但由于線圈內(nèi)磁場強度沿軸向分布不均勻，所以實際上，它的輸出仍有非線性。

八3

2b

下面進一步分析在銜鐵變動后，AL與AS關(guān)系的非線性，設(shè)銜鐵處于起始位

置時，電感傳感器的初始氣隙為況,初始電感。="區(qū),當(dāng)銜鐵向上位移

2bo

時，傳感器氣隙將減小，即3=3。-AS,這時電感將增大為L=W&S。，電感

2（2-晶）

的變化量為AL=L-品=4、△:c,相對改變量為：~T~~T蒜=7F"（"j~Z7），

品-94）<>0-△<>。（）1一詬

當(dāng)"<<1時，將上式展開成級數(shù)

品

華=當(dāng)1+啜+（膏）2+…]=管+（詈產(chǎn)+（管尸+…。同理,如果銜鐵向下位移AS

4"o

時，傳感器氣隙將增加，b=30+A3,這時電感將減小為L=W"?！?，電感的

2（4+A3）

變化量為刈=一?！６簟鄬Ω淖兞繛椋簑=品+△廠豆（77^），當(dāng)

竺<<1時，將上式展開成級數(shù)半=臂-（簫尸+（管）'o如果不考慮包括二次

方0Lo

項以上的高次項，則相與命成比例關(guān)系。因此，高次項的存在是造成非線性的

原因。但當(dāng)空越小時，高次項將迅速減小，非線性可以得到改善；然而，這又

%

會使傳感器的測量范圍（即銜鐵允許工作位移）變小。所以，對輸出特性線性

的要求和對測量范圍的要求是相互矛盾的。故這種傳感器只能用于微小位移的

測量。傳感器的靈敏度為5="=工，從提高傳感器靈敏度的角度看，初始間隙

應(yīng)盡量小，結(jié)果是被測量的范圍也變小。如果增加線圈匝數(shù)和鐵芯截面積，可

以提高靈敏度，但必將增加傳感器的幾何尺寸和重量。

在這三種傳感器中變氣隙式靈敏度最高，且隨氣隙的增大而減少，非線性

誤差大。為了減少非線性誤差，量程必須限制在較小范圍內(nèi)，所以只能用于微

小位移的測量，一般為0.001mm?1mm；變面積型傳感器靈敏度比變間隙型小，

理論靈敏度為一常數(shù)，因而線性好，量程也比變間隙式大，它的應(yīng)用也比變間

隙型多；螺管型傳感器在三種中量程最大，可達幾十毫米，靈敏度低，但結(jié)構(gòu)

簡單便于制作，因而應(yīng)用比較廣泛。

這三種類型的傳感器，由于線圈中流過負載的電流不等于零，存在起始電

流，非線性較女，而且有電磁吸力作用于活動銜鐵。易受外界干擾的影響，如

電源電壓和頻率的波動、溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差，所以不適用于精密

測量，只用在一些繼電信號裝置。在實際應(yīng)用中，廣泛采用的是差動式電感傳

感器。

5.2.2差動形式

兩只完全對稱的電感傳感器合用一個活動銜鐵，便構(gòu)成差動電感傳感器，如

下圖所示。在起始位置時，銜鐵處于中間位置，兩邊的氣隙相等，因此兩只電

感線圈的電感量在理論上相等。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動時，造成

兩邊氣隙不等，使兩只電感線圈的電感量一增一減，它們之差為：

35

A￡,+AL2=+A+(^)+???],可見AL|+AL,中不存在偶次項，這說明差

品4分

動電感傳感器的非線性小得多，其靈敏度為S=2§,是單個電感傳感器的2倍。

4

線圈1

7

31線圈2

(O螺管型

(b)變面積型

(a)變間隙型

差動式電感傳感器

1——線圈2——鐵芯3——銜鐵4—導(dǎo)桿

軸向位移電感傳感器

1一導(dǎo)線2—圓筒磁芯3一銜鐵4一線圈5一彈簧

6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к?—測桿9-密封套10—可換測頸

5.2.3測量電路

見課本P49-50

5.2.4應(yīng)用

壓力測量、厚度測量、焊條偏心度測量等

JGH型電感測厚儀

下圖是用差動式電感傳感器組成的測厚儀電路圖。電感傳感器的兩個線圈右

和右作為兩個相鄰的橋臂，另外兩個橋臂是電容0和c20橋路對角線輸出端

用4只二極管口?D,組成相敏整流器，由電流表M顯示。在二極管中串聯(lián)4個電

阻R?匕作為附加電阻，目的是為了減少由于溫度變化時，相敏整流器的特性變

化所引起的誤差，所以應(yīng)盡可能選用溫度系數(shù)較小的線繞電阻。R是調(diào)零電位器,

R6用來調(diào)節(jié)顯示器M滿刻度用。電橋的電源由接在對角線ab的變壓器B供給，

變壓器原邊采用磁飽和交流穩(wěn)壓器R7和C,電路中C3起濾波作用SD為指示燈。

測厚儀電路圖

差動變壓器式傳感器

差動變壓器則是把被測量的變化變換為線圈的互感變化。差動變壓器本身是

一個變壓器，初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應(yīng)出電勢，當(dāng)互感受外界影

響變化時，其感應(yīng)電勢也隨之相應(yīng)的變化。由于它的次級線圈接成差動的形式,

故稱差動變壓器。

差動變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高及測量范圍寬等優(yōu)點，故

應(yīng)用較廣。下面以應(yīng)用較多的螺管式差動變壓器為例說明其特性，它可以測量

一至上百毫米的機械位移。

(0)結(jié)構(gòu)圖⑹原理圖

差動變壓器原理圖

5.2.1工作原理

差動變壓器結(jié)構(gòu)由初級線圈P與兩個相同的次級線圈S|、S2和插入的可移動

的鐵芯C組成。其線圈聯(lián)接方式如圖(b)所示，兩個次級線圈反相串接。

當(dāng)初級線圈戶加上一定的正弦交流電壓R后，在次級線圈中的感應(yīng)電勢Ki、

方22與鐵芯在線圈中的位置有關(guān)。當(dāng)鐵芯在中心位置時濡=222,輸出電壓力2=0。

鐵芯向上移動時濡＞片22,反之￡〈方22。在上述兩種情況下，輸出電壓62的相

位相差180°,其幅值隨鐵芯位移距離x的改變而變化，如下圖所示。

差動變壓器輸出電壓的幅值特性

5.2.2測量電路

差動變壓器輸出交流電壓，如果采用交流電壓表指示，只能反映鐵芯位移的

大小、，不能反映移動的方向。另外，輸出的交流電壓中存在零點殘余電壓。所

以要求差動變壓器的測量電路，既能反映鐵芯位移的大小和方向又能補償零點

殘余電壓。常用的測量電路有兩種形式，一種是差動整流電路，另一種是相敏

檢波電路。具體參考課本P56-60

5.2.3應(yīng)用

參見課本P61-62

5.3）電容式元件

5.3.1）工作原理（見課本77-79）

5.3.2）測量電路（脈沖調(diào)寬電路）（見課本90-91）

5.3.2）應(yīng)用（見課本92）

5.4）渦流傳感器

5.4.1）基本原理

電渦流傳感器一般都是做成一個扁平空心線圈，將此線圈靠近金屬導(dǎo)體，當(dāng)線

圈中通有交流電時，在其周圍空間產(chǎn)生交變磁通，放在該磁場中的金屬導(dǎo)體就會

產(chǎn)生電渦流.此渦流的圓心與線圈在金屬導(dǎo)體上投影的圓心重合.研究表明：渦

流區(qū)與線圈尺寸的關(guān)系為2R=L39Z）,2r=0.525。.D為扁平空心線圈外徑,2R為

渦流區(qū)外徑.2r為渦流區(qū)內(nèi)徑.渦流滲透深度為々=5000P為導(dǎo)體電

阻率，f為交變磁場的頻率，叫為相對導(dǎo)磁率.

1-電渦流區(qū)2-扁平空心線圈

3-金屬導(dǎo)體

電渦流式傳感器原理圖

5.4.2）等效電路

可把空心線圈看作變壓器初級，金屬導(dǎo)體中的渦流回路看作變壓器次級.當(dāng)

線圈周圍產(chǎn)生交變磁場時，環(huán)狀渦流也將產(chǎn)生交變磁場，其方向與線圈產(chǎn)生的磁

通方向相反，因而抵消部分原磁場，這可理解為線圈與環(huán)狀渦流之間存在互感M,

其大小取決于金屬導(dǎo)體和線圈之間的靠近程度.

等效電路

根據(jù)等效電路，可列出方程:

Ri/i+jwL{I\-jwMI2=Ui

—jwM/1+H/2+jwL12=0

0,4為空心線圈電阻和電感

R,L為渦流回路的等效電阻和電感

M為線圈與金屬導(dǎo)體之間的互感系數(shù)

由上面方程解得，當(dāng)線圈與被測金屬導(dǎo)體靠近時，線圈的等效阻抗

U、wM2W2M2

為.Z=」=國+—------TR]+j[wL1--J--2w￡]

力?j17?2+(W￡)21R2+(WL)2

l\

W2M2

等效電阻為Req=R]+尺2+(.￡)2R

W2M2

等效電感為Leq=L\—R2+（.乙）2

品質(zhì)因素Qgq

上述分析結(jié)果表明，電渦流傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感M的函數(shù)，但是通常

利用其電感的變化組成測量回路，故把這類傳感器列為電感式傳感器.

5.4.3）測量電路

調(diào)頻式電路：把傳感器線圈作為組成LC振蕩器的電感元件，當(dāng)傳感器線圈電感變

化時，引起振蕩器的振蕩頻率變化，該頻率可直接由數(shù)字頻率計測得，或通過頻

率一電壓轉(zhuǎn)換，由儀器指示或記錄.

調(diào)幅式電路：傳感器線圈與電容組成并聯(lián)諧振回路，石英晶體振蕩器相當(dāng)于一個

恒流源，向諧振回路提供一個頻率穩(wěn)定為To的高頻激勵電流LC回路的輸出電

壓〃0=，0/億）乂為LC回路的阻抗.當(dāng)被測導(dǎo)體遠離傳感器時，因LC諧振回路的

諧振頻率設(shè)定為激勵頻率故呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大,

當(dāng)被測導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感發(fā)生變化,LC諧振回路的諧振頻

率改變，所呈現(xiàn)的等效阻抗減小，所以輸出電壓幅度值也減小，從而實現(xiàn)測量的

要求.

5.4.4）應(yīng)用

位移測量（壓力計）：電渦流傳感器的等效阻抗Z與被測材料的電阻率、導(dǎo)磁

率、激磁頻率及線圈與被測體間的距離x有關(guān)。當(dāng)電阻率、導(dǎo)磁率、激磁頻率

一定時，Z只與x有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)臏y量電路，可得到輸出電壓與距離x的關(guān)系。

其線性范圍為平面線圈外徑的1/3——l/5o顯然可以用來測量位移（壓力）。

振幅測量：可以無接觸地測量各種振動的振幅，如測量軸的振動形狀，可用多

個渦流傳感器，并排安置在軸附近，可獲得各傳感器所在位置軸的瞬時振幅。

轉(zhuǎn)速測量：把一個旋轉(zhuǎn)金屬加工成齒輪狀，旁邊安裝一個渦流傳感器，當(dāng)旋

轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，傳感器將周期地改變輸出信號，測其頻率即可得轉(zhuǎn)速。

無損探傷等：可以對被測量對象進行非破壞性的探傷，例如檢查金屬材料的

表面裂紋、熱處理裂紋以及焊接部位的探傷等。在檢查時，使傳感器與被測體

的距離不變，當(dāng)有裂紋出現(xiàn)時，導(dǎo)體電阻率、導(dǎo)磁率發(fā)生變化，從而引起傳感

器的等效阻抗發(fā)生變化，通過測量電路達到探傷目的。

5.5）壓電傳感器

5.5.1）壓電效應(yīng)

5.5.2）壓電材料

5.5.3）壓電傳感器

5.5.4）壓電傳感器的等效電路

5.5.5）測量電路

5.5.6）應(yīng)用

5.6）應(yīng)變電阻傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界作用下（如壓力等）產(chǎn)生機械變形，其阻值將發(fā)生變

化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng).把依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變片粘貼于被測材料上,

則被測材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳送到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片上電

阻值發(fā)生變化，通過測量阻值的變化量，就可以反映出外界作用的大小.

5.6.1）應(yīng)變片工作原理P136

電阻應(yīng)變片是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的金屬電阻絲制成.由

物理學(xué)可知：R=pl/S

如果金屬絲沿軸線方向受力而變形，其電阻也隨之變化，其應(yīng)變關(guān)系可由微分學(xué)

dRdpdldSdsdD

得到：一了二丁+―7F.對于直徑為D的圓形電阻絲27r.由材

dDdl

料力學(xué)知：橫向收縮和縱向伸長的關(guān)系為：—=-/y=-/^.，為材料的泊松

dlA/

比.￡=7=7為電阻絲軸向的相對變化，也就是應(yīng)變.由上述可得：

dRdpdl..c、/［。dpip、dl

下=上+7~（1+2/）=（1+2/+5勺〒=左z2

RpIal/71I

k為應(yīng)變靈敏系數(shù)，其物理意義為單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.對于金屬

—變化很小.其靈敏系數(shù)主要取決于1+27.對于半導(dǎo)體應(yīng)變片則必變化

pp

很大，其靈敏系數(shù)主要取決于號do.

5.6.2）應(yīng)變片結(jié)構(gòu)P137

5.6.3）應(yīng)變片測量電路

在電阻應(yīng)變傳感器中，多采用橋式測量電路.根據(jù)橋路的工作電壓，可分為交流

電橋和直流電橋.

八園一&&u

當(dāng)電橋負載無窮大時，電橋的輸出電壓為:U。二

區(qū)+??2）伊3+尺4）

為了使在測量前的輸出為零，應(yīng)使廣=十（電橋平衡條件）.令告=5=。為

橋臂的電阻比，它的大小與電橋的電壓靈敏度有關(guān)，當(dāng)a=l時，電橋的靈敏度最

大.故在測量電路中常用全等臂電橋電路.在實際中的測量電路分：單臂、雙臂、

全橋測量電路。

單臂電橋

Ru_晨考慮到AT?]?R],為二與二段二凡二R則上式

UAT?,UNR

化為：u°7V°

雙臂電橋（相鄰臂相反，相對臂相同）

一用+端〃與「U皿

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